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Klimaänderungen auf der Nordhemisphäre und die Rolle der Nordatlantik-Oszillation

Im Mittelpunkt der vorliegenden Dissertation steht die Frage nach den potentiellen anthropogenen Klimaänderungen über den mittleren und polaren Breiten der Nordhemisphäre. Diese Studie unternimmt einen vorsichtigen Versuch, den Einfluss steigender Treibhausgaskonzentrationen vor dem Hintergrund der natürlichen Variabilität zu beurteilen. Die Datenbasis besteht aus Beobachtungsdaten sowie zahlreichen langjährigen Simulationen unterschiedlicher gekoppelter Klimamodelle mit externem CO2-Szenario.

Zunächst wird der Signalcharakter der bodennahen Lufttemperatur und des Niederschlages verglichen, wobei sich herausstellt, dass dieTemperaturgröße eine geeignetere Nachweisvariable repräsentiert. Dem schliesst sich eine Signalanalyse der niedertroposphärischen Schichtmitteltemperatur an. Unter Anwendung der optimalen Fingerprint-Methode, welche den Einfluss der natürlichen Variabilität bestmöglich unterdrückt, werden beobachtete und prognostizierte Trendmuster gegenübergestellt. Nach 1970 sind diese Trendmuster stark korreliert und indizieren eine Dipolstruktur mit höchster Erwärmungsrate über Eurasien sowie schwächerer Abkühlungstendenz über dem Nordatlantik.

Dieses gegenpolige Signalmuster ist konform mit dem Feld der Temperaturanomalien, welche mit einer positiven Phase der Nordatlantik-Oszillation (NAO) einhergehen. Deshalb wird überprüft, ob die NAO als natürliche Zirkulationsmode selbst eine Sensitivität gegenüber dem Treibhausgasantrieb besitzt. Die meisten CO2-induzierten Modelläufe
prognostizieren nach 1980 einen positiven Trend im NAO-Index sowie eine Fortdauer des positiven Zustandes bis zum Ende des einundzwanzigsten Jahrhunderts. Dieses Signal impliziert eine Zonalisierung über dem Nordatlantik und ist mit charakteristischen, regional differenzierten Klimaanomalien über den angrenzenden Kontinenten verbunden.

Da aber nicht alle Klimamodelle ein NAO-Signal suggerieren, ist davon auszugehen, dass die NAO nicht den primären Träger des anthropogenen Klimaänderungssignals stellt. Deshalb wird anschließend mit der Arctic Oscillation (AO)
ein räumlich weiter gefasstes, zirkumglobales Phänomen untersucht. Auf Basis eines Superensembles von Szenarioläufen dreier gekoppelter Klimamodelle dokumentiert sich ein modellübergreifendes Zonalisierungssignal, welches in der beobachteten rezenten Entwicklung der AO ebenfalls angedeutet wird. Das räumliche Muster der AO wird vom Superensemble nahezu perfekt reproduziert. Während die AO-Muster keine CO2-Sensitivität aufweisen, verschiebt sich die Häufigkeitsverteilung der AO-Zustände signifikant in Richtung eines positiven Mittelwertes. Der Beitrag des gemeinsamen CO2-Antriebes auf die Zonalisierungstendenz ist mit unter 10 % gering aber statistisch signifikant. Alle Indizien sprechen dafür, dass natürliche Zirkulationsmoden wie die NAO und AO vom verstärkten Treibhauseffekt angeregt werden und einen globalen Klimaantrieb in regional
differenzierte Klimaänderungen umsetzen.
 

The question of potential human-induced climate change over the northern hemisphere midlatitudes and polar region is addressed. This study represents a careful attempt to judge the impact of increasing greenhouse-gas (GHG)
concentrations with respect to natural variability. It is based on observational data and multiple multi-century CO2 scenario simulations from different coupled climate models.
First the signal-to-noise ratio of near-surface temperature and precipitation is compared, revealing temperature as a more appropriate detection variable. Therefore,the low tropospheric temperature is subject to a signal analysis, comparing model predicted and observed trend patterns by means of the optimal fingerprint method which supresses the influence of natural variability.
From 1970 onward these trend patterns are highly correlated, showing a dipole structure of an overall temperature increase centered over. Eurasia and a small cooling cell over the North Atlantic.
Since this signal pattern clearly reminds the field of temperature anomalies associated with the North Atlantic Oscillation (NAO), it is examined whether this natural-occuring atmospheric phenomenon might be affected by the greenhouse forcing. Actually, most CO2 induced model simulations predict a positive trend within the NAO index time series from the end of the 20th century onward and the continuation of a positive NAO state until the end of the integration periods in the middle and at the end of the 21th century respectively. This is indicative of a predominantly zonal circulation over the North Atlantic, implying typical patterns of climate anomalies on the regional scale.
Since the NAO signal does not occur in all considered scenario runs, it is assumed that the regionally restricted NAO might not be a representative indicator for anthropogenic climate change in all climate models. Therefore, the view is extended to the entire northern hemisphere mean sea level pressure field, leading to the Arctic Oscillation mode (AO) which probably is a circumglobal representation of the same atmospheric mode as the NAO with similar anomaly fields.
In order to access the influence of model uncertainty on the NAO/AO signal, this part refers to a superensemble of GHG induced simulations derived from three coupled climate models. It is found that all models reproduce the observed AO pattern in an excellent way. All AO index time series - model runs and observations - reveal a positive trend towards a zonal state from the end of the 20th century onward whereas the patterns themselves are not modified by the external forcing.The GHG impact on this zonalisation signal is statistically significant but limited to less than 10 % relative to the total variability. Thus, it seems that a natural circulation mode is affected by increasing CO2 concentrations resulting in regional climate change over the northern hemisphere.
 
 
 
 
 

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